Tìm hiểu mạng cảm biến không dây và ứng dụng bắt mục tiêu của mạng cảm biến không dây
- 80 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGÔ THỊ KIM DẢN
TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ ỨNG DỤNG BẮT MỤC TIÊU
CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Hà Nội, 10-2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGÔ THỊ KIM DẢN
TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ ỨNG DỤNG BẮT MỤC TIÊU
CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Chuyên ngành : Công nghệ thông tin
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. NGÔ QUỲNH THU
Hà Nội, 10-2014
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 3
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 4
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. 7
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .............................................................. 8
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 10
CHƢƠNG 1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .............................................. 13
1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây………………………………………. 13
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến……………………………………………………. 13
1.2.1 Cấu trúc phẳng ................................................................................... 15
1.2.2 Cấu trúc tầng ...................................................................................... 16
1.3 Đặc trưng của mạng cảm biến không dây……………………………….. 17
1.4 Quá trình phối hợp xử lý tín hiệu……………………………………………18
1.5 Định tuyến trong cảm biến không dây……………………………………… 19
1.6 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây……...……………………………22
1.6.1 Ứng dụng trong quân đội.................................................................... 22
1.6.2 Ứng dụng với môi trường ................................................................... 23
1.6.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe .................................................... 24
CHƢƠNG 2 PHÁT BIỂU BÀI TOÁN VÀ ĐỊNH HƢỚNG GIẢI PHÁP ........ 26
2.1 Vấn đề bắt mục tiêu…………………………………………………………26
2.2 Một số hệ thống bắt mục tiêu trong mạng cảm biến……………………. 28
2.2.1 VigilNet ................................................................................................ 28
2.2.2 Hệ thống sử dụng giải thuật CTTA ....................................................... 29
2.3Một số phương pháp ước lượng vị trí mục tiêu……………………………... 31
2.3.1 Bayesian filtering .................................................................................. 31
2.3.2 Extended Kalman Filter ..................................................................... 31
2.4.Đánh giá chung các hệ thống bắt mục tiêu………………………………. 33
2.5.Phát biểu bài toán…………………………………………………………. 34
2.5.1. Mục tiêu .............................................................................................. 34
2.5.2. Đầu vào............................................................................................... 34
2.5.3. Đầu ra .................................................................................................. 34
2.5.4. Định hướng đề xuất .............................................................................. 35
CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG .................................. 36
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 1
3.1 Mô hình hệ thống…………………………………………………..………..36
3.1.1 Mô hình mạng .................................................................................... 36
3.1.2 Mô hình tín hiệu ................................................................................. 37
3.1.3 Mô hình truy nhập CSMA-CA ........................................................... 37
3.1.4 Mô hình đo lường cảm biến ............................................................... 41
3.2 Tìm hiểu hệ thống bắt mục tiêu…………………………………………….. 41
3.2.1 Phát hiện mục tiêu .............................................................................. 42
3.2.2 Xác định vị trí mục tiêu ...................................................................... 45
3.2.3 Thông báo và báo cáo kết quả về trạm gốc ......................................... 49
3.2.3.1 ARPEES................................................................................. 49
3.2.3.2 EMRP .................................................................................... 51
CHƢƠNG 4 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG............................................................. 55
4.1 Giới thiệu chung về Omnet++……………………………………………… 55
4.1.1. Tổng quan về Ommet++ .................................................................... 55
4.1.2 Các thành phần chính của OMNeT++: ............................................... 55
4.1.3 Mô hình trong Omnet++ .................................................................... 56
4.2 Sử dụng OMNeT++……………………………………………………….. 58
4.2.1 Xây dựng và chạy thử các mô hình mô phỏng. ................................... 58
4.2.2 Chạy các ứng dụng trong OMNeT++ ................................................. 59
4.2.2.1File giao diện .ned ................................................................... 60
4.2.2.2Các file mã nguồn.................................................................... 61
4.3 Phương thức mô phỏng và cách đánh giá…………………………………... 62
4.4 Đánh giá hiệu năng…………………………………………………………. 64
4.4.1 Quỹ đạo chuyển động của mục tiêu .................................................... 64
4.4.2 Hiệu quả sử dụng năng lượng ............................................................. 68
4.4.3 Độ trễ end-to-end ............................................................................... 70
4.4.4 Tính linh hoạt của hệ thống ................................................................ 71
4.4.5 Thời gian sống ................................................................................... 73
4.5 Đánh giá kết quả và hướng phát triển………………………………………. 75
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 77
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi – Ngô Thị Kim Dản – xin cam đoan:
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Kỹ thuật này là công trình nghiên cứu của bản
thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Ngô Quỳnh Thu.
Các kết quả trong luận văn là trung thực, không phải sao chép toàn văn của
bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội ngày 26 tháng 8 năm 2014
Ngô Thị Kim Dản
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 3
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự cố gắng của bản thân, em xin gửi lời
cảm ơn tới các cá nhân sau:
Em xin cảm ơn TS. Ngô Quỳnh Thu (bộ môn Truyền Thông Mạng – viện Công
nghệ thông tin và truyền thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội) là giáo viên trực
tiếp hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em trong suốt quá trình thực
hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo của Viện đào tạo sau đại học,
Trường Đại Học ách Khoa Hà Nội đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt
quá trình học cao học tại trường.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những người đã giúp đỡ
cho em có thể học tập tốt và hoàn thành việc học tập của mình.
Học viên
Ngô Thị Kim Dản
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 4
DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH 1.1 CẤU TẠO CỦA NÚT CẢM BIẾN .............................................................. 14
HÌNH 1.2 MÔ HÌNH TRIỂN KHAI NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ...................... 15
HÌNH 1.3 LOCATION TRACKING............................................................................ 24
HÌNH 1.4 ỨNG DỤNG TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE ....................................... 25
HÌNH 2.1: HỆ THỐNG BẮT MỤC TIÊU ................................................................... 27
HÌNH 2.2: VÍ DỤ CỦA HỢP TÁC THEO DÕI VÀ XÁC ĐỊNH VÙNG ĐÁNH THỨC
SỬ DỤNG EKF ............................................................................................................. 31
HÌNH 3.1: GIẢI THUẬT UNSLOTTED CSMA-CA .................................................. 40
HÌNH 3.2: KHOẢNG TRỐNG LIÊN KHUNG .......................................................... 41
HÌNH 3.3: LƢU ĐỒ GIAI ĐOẠN PHÁT HIỆN MỤC TIÊU ..................................... 44
HÌNH 3.4: QUÁ TRÌNH THÀNH LẬP NHÓM ......................................................... 45
HÌNH 3.5: SỬ DỤNG 3 CẢM BIẾN ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MỤC TIÊU ................ 46
HÌNH 3.6: SỬ DỤNG NHIỀU CẢM BIẾN ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MỤC TIÊU ...... 48
HÌNH 3.7: QUÁ TRÌNH LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP .................................... 51
HÌNH 3.8: MÔ HÌNH MẠNG HAI MỨC LIÊN KẾT TRONG EMRP ..................... 52
HÌNH 4.1: CÁC MODULE ĐƠN GIẢN VÀ KẾT HỢP............................................. 56
HÌNH 4.2: CÁC KẾT NỐI GIỮA CÁC MODULE ..................................................... 57
HÌNH 4.3: MÔ HÌNH MẠNG ĐANG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG .................. 64
HÌNH 4.4: SO SÁNH QUỸ ĐẠO THỰC CỦA MỤC TIÊU VỚI QUỸ ĐẠO ĐƢỢC
ƢỚC LƢỢNG BẰNG LATERATION VÀ EKF ......................................................... 66
HÌNH 4.5: SO SÁNH SAI SỐ ƢỚC LƢỢNG GIỮA 2 PHƢƠNG PHÁP
LATERATION VÀ EKF .............................................................................................. 67
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 5
HÌNH 4.6: SAI SỐ GIỮA QUỸ ĐẠO THỰC VÀ QUỸ ĐẠO ƢỚC LƢỢNG KHI
KHOẢNG THỜI GIAN LẤY MẪU LÀ 1S.................................................................. 68
HÌNH 4.7: BIẾN THIÊN NĂNG LƢỢNG TRUNG BÌNH THEO THỜI GIAN ....... 69
HÌNH 4.8: PHÂN BỐ NĂNG LƢỢNG GIỮA CÁC NÚT SAU THỜI GIAN 260S ... 70
HÌNH 4.9: ĐỘ TRỄ END-TO-END............................................................................. 71
HÌNH 4.10: SO SÁNH SỰ THAY ĐỔI ĐỘ TRỄ END-TO-END KHI THAY ĐỔI
KHOẢNG CẢM BIẾN .................................................................................................. 72
HÌNH 4.11: TỶ LỆ MẤT MỤC TIÊU KHI THAY ĐỔI KHOẢNG CẢM BIẾN ..... 72
HÌNH 4.12: TỶ LỆ MẤT MỤC TIÊU KHI VẬN TỐC THAY ĐỔI ......................... 73
HÌNH 4.13: THỜI GIAN SỐNG CỦA TOÀN MẠNG ............................................... 74
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 6
DANH MỤC BẢNG
BẢNG 4.1: CÁC THAM SỐ MÔ PHỎNG ........................................................ 45
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 7
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh
BS Base Station
CH Cluster Head
TDMA Time division multiple access
WSN Wireless Sensor Network
Adaptive Routing Protocol with Energy Efficiency and
ARPEES
Event Clustering forWireless Sensor Networks
EMRP Energy-Awared Meshed Routing Protocol
LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy
PF Particle Filter
BF Bayesian Filter
KF Kalman Filter
EKF Extended Kalman Filter
UKF Unscented Kalman Filter
GPS Global Positioning System
CSMA-CA Carrier sense multiple access with collision avoidance
IFS InterFrame Spacing
LIFS Long InterFrame Spacing
SIFS Short InterFrame Spacing
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 8
CCA Clean Channel Assignment
OMNeT++ Objective Modular Network Tested in C++
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 9
LỜI MỞ ĐẦU
Sự phát triển của công nghệ thông tin, truyền thông và Internet kết hợp với
những tiến bộ khoa học kĩ thuật gần đây đã tạo điều kiện phát triển các thế hệ cảm
biến mới với giá thành thấp, khả năng triển khai quy mô lớn và độ chính xác cao.
Với những ưu điểm vượt trội về khả năng theo dõi và thu thập thông tin, mạng cảm
biến không dây đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong quân sự, y tế, phòng
chống cháy nổ và nhiều mục đích thiết yếu khác. Bắt mục tiêu trong mạng cảm biến
không dây là một trong những ứng dụng quan trọng của mạng cảm biến không dây,
trong đó các bộ cảm biến theo dõi và báo cáo thông tin về vị trí mục tiêu tới trạm
gốc. Hệ thống theo dõi mục tiêu trong mạng cảm biến không dây thường gồm ba
giai đoạn: (1) phát hiện mục tiêu, (2) xác định vị trí mục tiêu, (3) thông báo và báo
cáo kết quả về trạm gốc. Trong giai đoạn đầu các nút cảm biến phát hiện được mục
tiêu sẽ được kích hoạt để theo dõi và thu thập thông tin liên quan đến vị trí của mục
tiêu di động sử dụng tín hiệu âm thanh, hình ảnh của mục tiêu. Những cảm cảm
biến này sẽ tập hợp thành một nhóm và bầu ra một nhóm trưởng. Các thành viên sẽ
truyền thông tin về mục tiêu về nhóm trưởng theo lịch TDMA được cấp. Ở giai
đoạn hai, nhóm trưởng sử dụng các thuật toán ước lượng để xác định vị trí của mục
tiêu. Ở giai đoạn ba, nhóm trưởng sẽ thông báo sự xuất hiện của mục tiêu để đánh
thức trước những nút trong vùng mục tiêu có thể xuất hiện giúp giảm độ trễ phát
hiện mục tiêu và tăng chất lượng của hệ thống theo dõi. Cuối cùng nhóm trưởng
thực hiện quá trình truyền dữ liệu về trạm gốc sử dụng các giao thức định tuyến. Để
ước lượng quỹ đạo của mục tiêu di động, hệ thống phải cài đặt các giải thuật cho
phép ước lượng vị trí mục tiêu như Particle Filter (PF) [1,2], ayesian filter (BF),
Kalman Filter (KF), Extended Kalman Filter (EKF), ... Tuy nhiên do đặc thù chung
nên khi hệ thống cài đặt những giải thuật này, độ chính xác phụ thuộc vào thông tin
ước lượng tại thời điểm trước. Do đó sau khi ước lượng phải quảng bá thông tin tới
những cảm biến sẽ tham gia theo dõi mục tiêu tại thời điểm tiếp theo. Điều này làm
hệ thống tiêu thụ nhiều năng lượng, cũng như làm giảm độ chính xác trong trường
hợp không có thông tin về mục tiêu tại thời điểm trước. Chính vì vậy, đề tài này em
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 10
tập trung tìm hiểu một hệ thống bắt mục tiêu với mục đích giải quyết những hạn chế
của các giải thuật trên, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong mạng và giảm thời gian
truyền dữ liệu về trạm gốc nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất theo dõi hợp lý.
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 11
Nội dung của luận văn được tổ chức như sau:
CHƢƠNG 1: Mạng cảm biến không dây
Trình bày một số lý thuyết cơ bản về mạng cảm biến không dây, các đặc trưng
của mạng cảm biến và tổng quan tổng hợp đánh giá các hệ thống bắt mục tiêu trong
mạng cảm biến không dây.
CHƢƠNG 2: Phát biểu bài toán và định hƣớng giải pháp
Chương này trình bày đưa ra các vấn đề cần giải quyết và định hướng giải pháp
cho các vấn đề này.
CHƢƠNG 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống
Chương này mô tả giải pháp. Trình bày chi tiết về thuật toán sử dụng cho hệ
thống, phân tích và so sánh các hệ thống.
CHƢƠNG 4: Đánh giá hiệu năng
Chương này giới thiệu về môi trường cài đặt, phương thức mô phỏng cùng các
thông số. Phân tích đánh giá các kết quả mô phỏng.
Do thời gian thực hiện luận văn có hạn, đề tài tìm hiểu về một vấn đề mới do đó
chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót cần được sửa chữa và bổ sung. Em rất mong nhận
được sự giúp đỡ cùng những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô và bạn bè để
em có thể tiếp tục hoàn thiện đề tài này.
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 12
CHƢƠNG 1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có
giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây,
có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu
để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên.
Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên
dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh;
khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả
năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy
hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị
vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước nhỏ. Chúng có thể hoạt động
trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm
biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó
thấy trước đây.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano, giao
tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo ra những
con cảm biến có kích thước ngày càng nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu
thụ năng lượng ít. Điều này đã giúp cho mạng cảm biến không dây phát triển ngày
một rộng rãi và gần gũi với cuộc sống con người.
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến
Một nút cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là:
Đơn vị cảm biến (sensing unit)
Đơn vị xử lý (processing unit)
Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)
Bộ nguồn (power unit)
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 13
Hình 0.1 Cấu tạo của nút cảm biến
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)
và bộ phận di động (mobilizer). Các thành phần trong một nút cảm biến được minh
họa trên hình 1.2. Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị
cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự có
được từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu
số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết
hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng
tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin
giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại
hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn.
Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và
không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn. Bộ nguồn
có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời
nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút cảm
biến thường phải có hệ thống tìm vị trí.
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 14
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan
trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới
hạn về năng lượng của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất
thấp. Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế
được nguồn cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được
các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên
vào bảo toàn công suất.
Hình 0.2 Mô hình triển khai nút cảm biến không dây
Hai cấu trúc thường gặp ở mạng cảm biến là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng.
1.2.1 Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng
nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với trạm gốc qua phương
pháp đa chặng sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố
định, các nút gần trạm gốc hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số
lượng lớn nguồn. Ưu điểm khi sử dụng cấu trúc phẳng là tổ chức đơn giản, tuy
nhiên sử dụng cấu trúc phẳng trong hoạt động định tuyến dễ gây lặp, dư thừa thông
tin, không thể áp dụng với các mạng lớn.
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 15
1.2.2 Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture), các nhóm được thành lập giúp các tài
nguyên trong cùng một nhóm gửi dữ liệu đơn chặng hay đa chặng (tùy thuộc vào
kích cỡ của nhóm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head).
Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một
mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn so với cấu
trúc phẳng, vì một số lý do sau:
- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị các tài
nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các
phần cứng thống nhất. Mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện
tất cả các nhiệm vụ.
- Mạng cấu trúc tầng có thời gian sống cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần
phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời
gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt
động trong khoảng thới gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu
xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức
năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng
sẽ làm tăng thời gian sống của mạng.
- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầu
thỏa mãn điều kiện về thời gian sống và băng thông. Với mạng cấu trúc phẳng, khi
kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0. Việc nghiên cứu
các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này. Một cách
tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp
thấp hơn tạo thành một nhóm xung quanh trạm gốc. Trong trường hợp này, dung
lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi nhóm trong mỗi lớp
xác định là độc lập với nhau.
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 16
Tóm lại, khi dùng cấu trúc tầng thì việc tương thích giữa các chức năng trong
mạng có thể đạt được. Hiện nay, người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích
về tìm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng
1.3 Đặc trƣng của mạng cảm biến không dây
Như trên ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn
các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt
là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với
mạng truyền thống. Sau đây, em sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng
cảm biến:
Được triển khai dày đặc và số kết nối được tạo giữa các nút cảm biến rất lớn:
số lượng các nút cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, có thể từ hàng
trăm thậm chí hàng ngàn. Do đó cấu trúc mạng phải có khả năng thích nghi để có
thể làm việc với số lượng lớn các nútmà vẫn hoạt động tốt.
Dễ triển khai: là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây. Sự
giao tiếp giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi
vị trí hay do sự ảnh hưởng của môi trường đến giao tiếp không dây. Lúc này, mạng
cần có khả năng tự phát hiện và khắc phục được lỗi này.
Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lượng lớn các nút cảm biến
nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu
thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động
không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường…
Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không cần có sự can thiệp của con
người: các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các
hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc ở môi trường khắc nghiệt,
nơi mà con người khó tiếp cận ví dụ như bên trong các máy móc lớn, những điều
kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm…
Khả năng chịu lỗi: một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do
thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 17
năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bình thường, duy trì những
chức năng của nó ngay cả khi một số nút cảm biến bị loại ra khỏi mạng.
Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các nút trong mạng
giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang
học. Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn thế giới để thiết
lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này.
Sự tiêu thụ năng lượng: các nút cảm biến không dây là một thiết bị vi điện tử
chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5 Ah, 1.2 V). Trong một số
ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng
thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạng vào thời gian sống của pin. Sự
trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu
hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và
quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng.
1.4 Quá trình phối hợp xử lý tín hiệu
Năng lượng tiêu thụ là một vấn đề quan trọng của mạng cảm biến không dây.
Năng lượng hạn chế được lưu trữ tại mỗi nút phải hỗ trợ nhiều chức năng, bao gồm:
hoạt động cảm biến, quá trình xử lý tín hiệu và truyền thông với các nút hàng xóm.
Vì vậy, phải xem xét những phương thức sử dụng năng lượng hiệu quả của các cảm
biến, giảm tốc độ lấy mẫu, các giải thuật giảm năng lượng quá trình xử lý tín hiệu
và các giao thức truyền thông hiệu quả để trao đổi thông tin giữa các nút. Để tạo
điều kiện thuận lợi cho việc giám sát các cảm biến, bao gồm phát hiện, phân loại,
xác định và theo dõi mục tiêu, thông tin tổng thể trong cả không gian và thời gian
phải được thu thập và phân tích trên một vùng không gian và thời gian xác định.
Tuy nhiên, cá nhân các nút chỉ cung cấp thông tin không gian cục bộ. Hơn nữa, do
giới hạn về năng lượng, thời gian xử lý chỉ khả thi trong thời gian hạn chế. Điều này
đòi hỏi phải phối hợp xử lý tín hiệu, hợp tác giữa các nút để xử lý dữ liệu. Một giải
thuật phối hợp xử lý tín hiệu phải có những ưu điểm sau đây:
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 18
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGÔ THỊ KIM DẢN
TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ ỨNG DỤNG BẮT MỤC TIÊU
CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Hà Nội, 10-2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGÔ THỊ KIM DẢN
TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ ỨNG DỤNG BẮT MỤC TIÊU
CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Chuyên ngành : Công nghệ thông tin
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. NGÔ QUỲNH THU
Hà Nội, 10-2014
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 3
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 4
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. 7
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .............................................................. 8
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 10
CHƢƠNG 1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .............................................. 13
1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây………………………………………. 13
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến……………………………………………………. 13
1.2.1 Cấu trúc phẳng ................................................................................... 15
1.2.2 Cấu trúc tầng ...................................................................................... 16
1.3 Đặc trưng của mạng cảm biến không dây……………………………….. 17
1.4 Quá trình phối hợp xử lý tín hiệu……………………………………………18
1.5 Định tuyến trong cảm biến không dây……………………………………… 19
1.6 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây……...……………………………22
1.6.1 Ứng dụng trong quân đội.................................................................... 22
1.6.2 Ứng dụng với môi trường ................................................................... 23
1.6.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe .................................................... 24
CHƢƠNG 2 PHÁT BIỂU BÀI TOÁN VÀ ĐỊNH HƢỚNG GIẢI PHÁP ........ 26
2.1 Vấn đề bắt mục tiêu…………………………………………………………26
2.2 Một số hệ thống bắt mục tiêu trong mạng cảm biến……………………. 28
2.2.1 VigilNet ................................................................................................ 28
2.2.2 Hệ thống sử dụng giải thuật CTTA ....................................................... 29
2.3Một số phương pháp ước lượng vị trí mục tiêu……………………………... 31
2.3.1 Bayesian filtering .................................................................................. 31
2.3.2 Extended Kalman Filter ..................................................................... 31
2.4.Đánh giá chung các hệ thống bắt mục tiêu………………………………. 33
2.5.Phát biểu bài toán…………………………………………………………. 34
2.5.1. Mục tiêu .............................................................................................. 34
2.5.2. Đầu vào............................................................................................... 34
2.5.3. Đầu ra .................................................................................................. 34
2.5.4. Định hướng đề xuất .............................................................................. 35
CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG .................................. 36
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 1
3.1 Mô hình hệ thống…………………………………………………..………..36
3.1.1 Mô hình mạng .................................................................................... 36
3.1.2 Mô hình tín hiệu ................................................................................. 37
3.1.3 Mô hình truy nhập CSMA-CA ........................................................... 37
3.1.4 Mô hình đo lường cảm biến ............................................................... 41
3.2 Tìm hiểu hệ thống bắt mục tiêu…………………………………………….. 41
3.2.1 Phát hiện mục tiêu .............................................................................. 42
3.2.2 Xác định vị trí mục tiêu ...................................................................... 45
3.2.3 Thông báo và báo cáo kết quả về trạm gốc ......................................... 49
3.2.3.1 ARPEES................................................................................. 49
3.2.3.2 EMRP .................................................................................... 51
CHƢƠNG 4 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG............................................................. 55
4.1 Giới thiệu chung về Omnet++……………………………………………… 55
4.1.1. Tổng quan về Ommet++ .................................................................... 55
4.1.2 Các thành phần chính của OMNeT++: ............................................... 55
4.1.3 Mô hình trong Omnet++ .................................................................... 56
4.2 Sử dụng OMNeT++……………………………………………………….. 58
4.2.1 Xây dựng và chạy thử các mô hình mô phỏng. ................................... 58
4.2.2 Chạy các ứng dụng trong OMNeT++ ................................................. 59
4.2.2.1File giao diện .ned ................................................................... 60
4.2.2.2Các file mã nguồn.................................................................... 61
4.3 Phương thức mô phỏng và cách đánh giá…………………………………... 62
4.4 Đánh giá hiệu năng…………………………………………………………. 64
4.4.1 Quỹ đạo chuyển động của mục tiêu .................................................... 64
4.4.2 Hiệu quả sử dụng năng lượng ............................................................. 68
4.4.3 Độ trễ end-to-end ............................................................................... 70
4.4.4 Tính linh hoạt của hệ thống ................................................................ 71
4.4.5 Thời gian sống ................................................................................... 73
4.5 Đánh giá kết quả và hướng phát triển………………………………………. 75
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 77
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi – Ngô Thị Kim Dản – xin cam đoan:
Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Kỹ thuật này là công trình nghiên cứu của bản
thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Ngô Quỳnh Thu.
Các kết quả trong luận văn là trung thực, không phải sao chép toàn văn của
bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội ngày 26 tháng 8 năm 2014
Ngô Thị Kim Dản
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 3
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự cố gắng của bản thân, em xin gửi lời
cảm ơn tới các cá nhân sau:
Em xin cảm ơn TS. Ngô Quỳnh Thu (bộ môn Truyền Thông Mạng – viện Công
nghệ thông tin và truyền thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội) là giáo viên trực
tiếp hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em trong suốt quá trình thực
hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo của Viện đào tạo sau đại học,
Trường Đại Học ách Khoa Hà Nội đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt
quá trình học cao học tại trường.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những người đã giúp đỡ
cho em có thể học tập tốt và hoàn thành việc học tập của mình.
Học viên
Ngô Thị Kim Dản
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 4
DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH 1.1 CẤU TẠO CỦA NÚT CẢM BIẾN .............................................................. 14
HÌNH 1.2 MÔ HÌNH TRIỂN KHAI NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ...................... 15
HÌNH 1.3 LOCATION TRACKING............................................................................ 24
HÌNH 1.4 ỨNG DỤNG TRONG CHĂM SÓC SỨC KHỎE ....................................... 25
HÌNH 2.1: HỆ THỐNG BẮT MỤC TIÊU ................................................................... 27
HÌNH 2.2: VÍ DỤ CỦA HỢP TÁC THEO DÕI VÀ XÁC ĐỊNH VÙNG ĐÁNH THỨC
SỬ DỤNG EKF ............................................................................................................. 31
HÌNH 3.1: GIẢI THUẬT UNSLOTTED CSMA-CA .................................................. 40
HÌNH 3.2: KHOẢNG TRỐNG LIÊN KHUNG .......................................................... 41
HÌNH 3.3: LƢU ĐỒ GIAI ĐOẠN PHÁT HIỆN MỤC TIÊU ..................................... 44
HÌNH 3.4: QUÁ TRÌNH THÀNH LẬP NHÓM ......................................................... 45
HÌNH 3.5: SỬ DỤNG 3 CẢM BIẾN ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MỤC TIÊU ................ 46
HÌNH 3.6: SỬ DỤNG NHIỀU CẢM BIẾN ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MỤC TIÊU ...... 48
HÌNH 3.7: QUÁ TRÌNH LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP .................................... 51
HÌNH 3.8: MÔ HÌNH MẠNG HAI MỨC LIÊN KẾT TRONG EMRP ..................... 52
HÌNH 4.1: CÁC MODULE ĐƠN GIẢN VÀ KẾT HỢP............................................. 56
HÌNH 4.2: CÁC KẾT NỐI GIỮA CÁC MODULE ..................................................... 57
HÌNH 4.3: MÔ HÌNH MẠNG ĐANG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG .................. 64
HÌNH 4.4: SO SÁNH QUỸ ĐẠO THỰC CỦA MỤC TIÊU VỚI QUỸ ĐẠO ĐƢỢC
ƢỚC LƢỢNG BẰNG LATERATION VÀ EKF ......................................................... 66
HÌNH 4.5: SO SÁNH SAI SỐ ƢỚC LƢỢNG GIỮA 2 PHƢƠNG PHÁP
LATERATION VÀ EKF .............................................................................................. 67
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 5
HÌNH 4.6: SAI SỐ GIỮA QUỸ ĐẠO THỰC VÀ QUỸ ĐẠO ƢỚC LƢỢNG KHI
KHOẢNG THỜI GIAN LẤY MẪU LÀ 1S.................................................................. 68
HÌNH 4.7: BIẾN THIÊN NĂNG LƢỢNG TRUNG BÌNH THEO THỜI GIAN ....... 69
HÌNH 4.8: PHÂN BỐ NĂNG LƢỢNG GIỮA CÁC NÚT SAU THỜI GIAN 260S ... 70
HÌNH 4.9: ĐỘ TRỄ END-TO-END............................................................................. 71
HÌNH 4.10: SO SÁNH SỰ THAY ĐỔI ĐỘ TRỄ END-TO-END KHI THAY ĐỔI
KHOẢNG CẢM BIẾN .................................................................................................. 72
HÌNH 4.11: TỶ LỆ MẤT MỤC TIÊU KHI THAY ĐỔI KHOẢNG CẢM BIẾN ..... 72
HÌNH 4.12: TỶ LỆ MẤT MỤC TIÊU KHI VẬN TỐC THAY ĐỔI ......................... 73
HÌNH 4.13: THỜI GIAN SỐNG CỦA TOÀN MẠNG ............................................... 74
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 6
DANH MỤC BẢNG
BẢNG 4.1: CÁC THAM SỐ MÔ PHỎNG ........................................................ 45
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 7
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh
BS Base Station
CH Cluster Head
TDMA Time division multiple access
WSN Wireless Sensor Network
Adaptive Routing Protocol with Energy Efficiency and
ARPEES
Event Clustering forWireless Sensor Networks
EMRP Energy-Awared Meshed Routing Protocol
LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy
PF Particle Filter
BF Bayesian Filter
KF Kalman Filter
EKF Extended Kalman Filter
UKF Unscented Kalman Filter
GPS Global Positioning System
CSMA-CA Carrier sense multiple access with collision avoidance
IFS InterFrame Spacing
LIFS Long InterFrame Spacing
SIFS Short InterFrame Spacing
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 8
CCA Clean Channel Assignment
OMNeT++ Objective Modular Network Tested in C++
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 9
LỜI MỞ ĐẦU
Sự phát triển của công nghệ thông tin, truyền thông và Internet kết hợp với
những tiến bộ khoa học kĩ thuật gần đây đã tạo điều kiện phát triển các thế hệ cảm
biến mới với giá thành thấp, khả năng triển khai quy mô lớn và độ chính xác cao.
Với những ưu điểm vượt trội về khả năng theo dõi và thu thập thông tin, mạng cảm
biến không dây đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong quân sự, y tế, phòng
chống cháy nổ và nhiều mục đích thiết yếu khác. Bắt mục tiêu trong mạng cảm biến
không dây là một trong những ứng dụng quan trọng của mạng cảm biến không dây,
trong đó các bộ cảm biến theo dõi và báo cáo thông tin về vị trí mục tiêu tới trạm
gốc. Hệ thống theo dõi mục tiêu trong mạng cảm biến không dây thường gồm ba
giai đoạn: (1) phát hiện mục tiêu, (2) xác định vị trí mục tiêu, (3) thông báo và báo
cáo kết quả về trạm gốc. Trong giai đoạn đầu các nút cảm biến phát hiện được mục
tiêu sẽ được kích hoạt để theo dõi và thu thập thông tin liên quan đến vị trí của mục
tiêu di động sử dụng tín hiệu âm thanh, hình ảnh của mục tiêu. Những cảm cảm
biến này sẽ tập hợp thành một nhóm và bầu ra một nhóm trưởng. Các thành viên sẽ
truyền thông tin về mục tiêu về nhóm trưởng theo lịch TDMA được cấp. Ở giai
đoạn hai, nhóm trưởng sử dụng các thuật toán ước lượng để xác định vị trí của mục
tiêu. Ở giai đoạn ba, nhóm trưởng sẽ thông báo sự xuất hiện của mục tiêu để đánh
thức trước những nút trong vùng mục tiêu có thể xuất hiện giúp giảm độ trễ phát
hiện mục tiêu và tăng chất lượng của hệ thống theo dõi. Cuối cùng nhóm trưởng
thực hiện quá trình truyền dữ liệu về trạm gốc sử dụng các giao thức định tuyến. Để
ước lượng quỹ đạo của mục tiêu di động, hệ thống phải cài đặt các giải thuật cho
phép ước lượng vị trí mục tiêu như Particle Filter (PF) [1,2], ayesian filter (BF),
Kalman Filter (KF), Extended Kalman Filter (EKF), ... Tuy nhiên do đặc thù chung
nên khi hệ thống cài đặt những giải thuật này, độ chính xác phụ thuộc vào thông tin
ước lượng tại thời điểm trước. Do đó sau khi ước lượng phải quảng bá thông tin tới
những cảm biến sẽ tham gia theo dõi mục tiêu tại thời điểm tiếp theo. Điều này làm
hệ thống tiêu thụ nhiều năng lượng, cũng như làm giảm độ chính xác trong trường
hợp không có thông tin về mục tiêu tại thời điểm trước. Chính vì vậy, đề tài này em
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 10
tập trung tìm hiểu một hệ thống bắt mục tiêu với mục đích giải quyết những hạn chế
của các giải thuật trên, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong mạng và giảm thời gian
truyền dữ liệu về trạm gốc nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất theo dõi hợp lý.
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 11
Nội dung của luận văn được tổ chức như sau:
CHƢƠNG 1: Mạng cảm biến không dây
Trình bày một số lý thuyết cơ bản về mạng cảm biến không dây, các đặc trưng
của mạng cảm biến và tổng quan tổng hợp đánh giá các hệ thống bắt mục tiêu trong
mạng cảm biến không dây.
CHƢƠNG 2: Phát biểu bài toán và định hƣớng giải pháp
Chương này trình bày đưa ra các vấn đề cần giải quyết và định hướng giải pháp
cho các vấn đề này.
CHƢƠNG 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống
Chương này mô tả giải pháp. Trình bày chi tiết về thuật toán sử dụng cho hệ
thống, phân tích và so sánh các hệ thống.
CHƢƠNG 4: Đánh giá hiệu năng
Chương này giới thiệu về môi trường cài đặt, phương thức mô phỏng cùng các
thông số. Phân tích đánh giá các kết quả mô phỏng.
Do thời gian thực hiện luận văn có hạn, đề tài tìm hiểu về một vấn đề mới do đó
chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót cần được sửa chữa và bổ sung. Em rất mong nhận
được sự giúp đỡ cùng những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô và bạn bè để
em có thể tiếp tục hoàn thiện đề tài này.
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 12
CHƢƠNG 1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có
giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây,
có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu
để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên.
Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên
dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh;
khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả
năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy
hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị
vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước nhỏ. Chúng có thể hoạt động
trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm
biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó
thấy trước đây.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano, giao
tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo ra những
con cảm biến có kích thước ngày càng nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu
thụ năng lượng ít. Điều này đã giúp cho mạng cảm biến không dây phát triển ngày
một rộng rãi và gần gũi với cuộc sống con người.
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến
Một nút cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là:
Đơn vị cảm biến (sensing unit)
Đơn vị xử lý (processing unit)
Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)
Bộ nguồn (power unit)
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 13
Hình 0.1 Cấu tạo của nút cảm biến
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)
và bộ phận di động (mobilizer). Các thành phần trong một nút cảm biến được minh
họa trên hình 1.2. Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị
cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự có
được từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu
số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết
hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng
tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin
giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại
hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn.
Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và
không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn. Bộ nguồn
có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời
nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút cảm
biến thường phải có hệ thống tìm vị trí.
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 14
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan
trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới
hạn về năng lượng của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất
thấp. Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế
được nguồn cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được
các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên
vào bảo toàn công suất.
Hình 0.2 Mô hình triển khai nút cảm biến không dây
Hai cấu trúc thường gặp ở mạng cảm biến là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng.
1.2.1 Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng
nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với trạm gốc qua phương
pháp đa chặng sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố
định, các nút gần trạm gốc hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số
lượng lớn nguồn. Ưu điểm khi sử dụng cấu trúc phẳng là tổ chức đơn giản, tuy
nhiên sử dụng cấu trúc phẳng trong hoạt động định tuyến dễ gây lặp, dư thừa thông
tin, không thể áp dụng với các mạng lớn.
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 15
1.2.2 Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture), các nhóm được thành lập giúp các tài
nguyên trong cùng một nhóm gửi dữ liệu đơn chặng hay đa chặng (tùy thuộc vào
kích cỡ của nhóm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head).
Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một
mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn so với cấu
trúc phẳng, vì một số lý do sau:
- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị các tài
nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các
phần cứng thống nhất. Mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện
tất cả các nhiệm vụ.
- Mạng cấu trúc tầng có thời gian sống cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần
phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời
gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt
động trong khoảng thới gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu
xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức
năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng
sẽ làm tăng thời gian sống của mạng.
- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầu
thỏa mãn điều kiện về thời gian sống và băng thông. Với mạng cấu trúc phẳng, khi
kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0. Việc nghiên cứu
các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này. Một cách
tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp
thấp hơn tạo thành một nhóm xung quanh trạm gốc. Trong trường hợp này, dung
lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi nhóm trong mỗi lớp
xác định là độc lập với nhau.
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 16
Tóm lại, khi dùng cấu trúc tầng thì việc tương thích giữa các chức năng trong
mạng có thể đạt được. Hiện nay, người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích
về tìm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng
1.3 Đặc trƣng của mạng cảm biến không dây
Như trên ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn
các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt
là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với
mạng truyền thống. Sau đây, em sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng
cảm biến:
Được triển khai dày đặc và số kết nối được tạo giữa các nút cảm biến rất lớn:
số lượng các nút cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, có thể từ hàng
trăm thậm chí hàng ngàn. Do đó cấu trúc mạng phải có khả năng thích nghi để có
thể làm việc với số lượng lớn các nútmà vẫn hoạt động tốt.
Dễ triển khai: là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây. Sự
giao tiếp giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi
vị trí hay do sự ảnh hưởng của môi trường đến giao tiếp không dây. Lúc này, mạng
cần có khả năng tự phát hiện và khắc phục được lỗi này.
Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lượng lớn các nút cảm biến
nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu
thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động
không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường…
Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không cần có sự can thiệp của con
người: các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các
hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc ở môi trường khắc nghiệt,
nơi mà con người khó tiếp cận ví dụ như bên trong các máy móc lớn, những điều
kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm…
Khả năng chịu lỗi: một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do
thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 17
năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bình thường, duy trì những
chức năng của nó ngay cả khi một số nút cảm biến bị loại ra khỏi mạng.
Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các nút trong mạng
giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang
học. Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn thế giới để thiết
lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này.
Sự tiêu thụ năng lượng: các nút cảm biến không dây là một thiết bị vi điện tử
chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5 Ah, 1.2 V). Trong một số
ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng
thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạng vào thời gian sống của pin. Sự
trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu
hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và
quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng.
1.4 Quá trình phối hợp xử lý tín hiệu
Năng lượng tiêu thụ là một vấn đề quan trọng của mạng cảm biến không dây.
Năng lượng hạn chế được lưu trữ tại mỗi nút phải hỗ trợ nhiều chức năng, bao gồm:
hoạt động cảm biến, quá trình xử lý tín hiệu và truyền thông với các nút hàng xóm.
Vì vậy, phải xem xét những phương thức sử dụng năng lượng hiệu quả của các cảm
biến, giảm tốc độ lấy mẫu, các giải thuật giảm năng lượng quá trình xử lý tín hiệu
và các giao thức truyền thông hiệu quả để trao đổi thông tin giữa các nút. Để tạo
điều kiện thuận lợi cho việc giám sát các cảm biến, bao gồm phát hiện, phân loại,
xác định và theo dõi mục tiêu, thông tin tổng thể trong cả không gian và thời gian
phải được thu thập và phân tích trên một vùng không gian và thời gian xác định.
Tuy nhiên, cá nhân các nút chỉ cung cấp thông tin không gian cục bộ. Hơn nữa, do
giới hạn về năng lượng, thời gian xử lý chỉ khả thi trong thời gian hạn chế. Điều này
đòi hỏi phải phối hợp xử lý tín hiệu, hợp tác giữa các nút để xử lý dữ liệu. Một giải
thuật phối hợp xử lý tín hiệu phải có những ưu điểm sau đây:
Học viên: Ngô Thị Kim Dản – 12BCNTT 18